Многоскоростной электропривод вентилятора птичника с комбинированным коммутатором статорной обмотки для повышения эксплуатационной эффективности вентиляционных систем
На правах рукописи
ХАРЧЕНКО Дмитрий Павлович
МНОГОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРА
ПТИЧНИКА С КОМБИНИРОВАННЫМ КОММУТАТОРОМ
СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ
Специальность: 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар–2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: Оськин Сергей Владимирович доктор технических наук, профессор.
Официальные оппоненты: Тропин Владимир Валентинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный универси тет», профессор кафедры «Применение электриче ской энергии»
Медведько Юрий Алексеевич кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия» доцент кафедры «Эксплуатация энерге тического оборудования и электрические машины»
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Северо кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяй ства» Российской академии сельскохозяйственных наук (г. Зерноград)
Защита диссертации состоится «29» ноября 2013 г. в 10.00 часов на заседа нии диссертационного совета Д220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский госу дарственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Кали нина 13, КубГАУ, главный учебный корпус, ауд. № 106.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан «28» октября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В. С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На современных птицефабриках вопросам сниже ния себестоимости продукции уделяется большое внимание. Установлено, что продуктивность птицы во многом зависит параметров микроклимата (на 20 30%), при этом даже кратковременные (2-4 ч) отключения или выход из строя системы вентиляции вызывают значительный экономический ущерб из-за рез кого снижения продуктивности или гибели птицы. Оптимальный микроклимат в птицеводческих помещениях - это сочетание определенной температуры, влажности, газового состава, скорости движения воздуха и др. факторов.
Анализ эксплуатационных показателей устройств регулирования подачи воздуха и статистика отказов в системе микроклимата свидетельствуют о необ ходимости продолжения исследований по усовершенствованию существующего и разработки нового оборудования. Многоскоростной электропривод, в отличие от других, работает по прямой схеме “сеть-электродвигатель-вентилятор”, что обеспечивает его высокие энергетические показатели. Главными недостатками этого способа регулирования являются ступенчатость переключения и большое количество коммутационных аппаратов схемы управления, что, в конечном ито ге, уменьшает общую надежность привода. Поэтому, применение электронных ключей может значительно повысить надежность схемы коммутации обмоток двигателя, при условии соблюдения их режимов работы, оговоренных в техни ческих условиях.
Значительный вклад в разработку многоскоростного электропривода внес ли В.Н. Ванурин, Ю.А. Медведько, В.А. Жилина, А.А. Емелин и др;
вопросам энергосбережения и коммутации нагрузки большое внимание уделено в работах С.В. Оськина, Г.П. Ерошенко, Е.В. Пантелеева, В.В. Тропина.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006-2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011-2015 гг. (ГР 01.2.01153641).
Рабочая гипотеза. Исследование переходных процессов в статоре мно госкоростного электропривода при переключении его обмоток позволит разра ботать надежное коммутационное устройство.
Цель диссертационной работы заключается: в разработке и теоретиче ском обосновании многоскоростного электропривода вентилятора птичника с комбинированным коммутатором статорной обмотки для повышения эксплуа тационных показателей вентиляционных систем.
Задачи исследования:
1. Обосновать функциональную схему регулирования многоскоростного электропривода вентилятора птичника и параметры электродвигателя.
2. Разработать математическую модель многоскоростного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, отображающую процессы при комму тации его обмоток.
3. Провести математическое моделирование работы многоскоростного дви гателя привода с использованием ЭВМ и программной среды Matlab Simulink с целью получения характеристик переходных процессов при коммутации его обмоток.
4. Получить диаграммы изменения токов, ЭДС обмоток двигателя при коммутации, а также длительности переходных процессов при переключении режимов работы привода.
5. Разработать принципиальную схему комбинированного коммутатора статорной обмотки многоскоростного двигателя привода вентилятора с приме нением электронных ключей.
6. Провести экспериментальные исследования электропривода вентилятора с целью проверки теоретических расчетов и установления возможности исполь зования электронных ключей в схеме коммутации статорной обмотки электри ческой машины.
7. Разработать алгоритм работы системы управления электроприводом вен тилятора птичника.
8. Рассчитать эксплуатационную и экономическую эффективность внедре ния разработанного электропривода в птичнике.
Объект исследований - электропривод вентиляторов в птичниках, матема тические модели многоскоростных электродвигателей, контактные и бескон тактные коммутирующие аппараты.
Предмет исследований - переходные процессы при коммутации обмоток многоскоростного двигателя вентилятора птичника, эксплуатационные показа тели вентиляционных систем.
Методика исследований базировалась на математическом моделировании электрических машин, компьютерном моделировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации полученных данных.
Научная новизна работы:
- разработана математическая модель многоскоростного двигателя привода в виде дифференциальных уравнений для исследования переходных процессов при коммутации его обмоток;
- разработана математическая модель исследуемого многоскоростного дви гателя в программной среде Matlab Simulink для получения параметров пере ходных процессов коммутации обмоток двигателя.
Практическая ценность результатов исследований:
- разработана схема управления индивидуальным многоскоростным элек троприводом вентилятора птичника с использованием бесконтактных коммути рующих ключей и управляющего микроконтроллера;
- получены рекомендации для разработки необходимых мер для защиты электронных ключей в схемах коммутации обмоток многоскоростных двигате лей;
- получен макетный образец комбинированного блока коммутации обмоток двигателя, который показал надежную работу во всех режимах вентиляционной установки;
- разработана прикладная программа для расчета коэффициента готовности и срока службы электропривода, защищенная свидетельством на программный продукт №2008613601;
На защиту выносятся следующие положения:
- функциональная схема регулирования многоскоростным электроприво дом вентилятора птичника;
- математическая модель многоскоростного асинхронного двигателя с ко роткозамкнутым ротором;
- модель многоскоростного асинхронного двигателя, реализованная в про граммной среде Matlab Simulink;
- результаты расчетов диаграмм изменения токов, ЭДС обмоток двигателя при коммутации, длительности переходных процессов при переключении ре жимов работы привода;
- разработанная схема комбинированного коммутатора статорной обмотки многоскоростного двигателя привода вентилятора с использованием бескон тактных коммутирующих ключей и управляющего микроконтроллера;
- результаты теоретических и экспериментальных испытаний электропри вода вентилятора;
- результаты расчетов эксплуатационной и экономической эффективности станции автоматического управления вентиляцией "Климат-Т-МП-5" (тири сторное регулирование напряжения электродвигателей вентиляторов) с раз работанным электроприводом.
Реализация и внедрение результатов исследований. Многоскоростной привод с разработанной схемой коммутации передан для испытания в системе микроклимата птицефабрики «Новомышастовская» Краснодарского края. Ре зультаты исследований используются при энергоаудите предприятий в ООО «Кубанская энергосервисная компания». Математические и компьютерные мо дели многоскоростного электропривода включены в рабочие программы дисци плин «Электропривод», «Автоматизированный электропривод» Кубанского ГАУ.
Личный вклад автора. Автором разработаны основные теоретические положения работы, проведены экспериментальные исследования, разработана программа и методика исследований, осуществлены эксперименты и обработка их данных.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
- 8-й региональной научно-практической конференциии молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2006 г.);
- международной научно-практической конференции (11-13 мая 2006 г.) «Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с ис пользованием электрофизических факторов и озона» (Ставрополь 2006 г.);
- 5-й всероссийской научной конференции «ВРНК-2007», «Энерго- и ре сурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2006 г.);
- 2-й всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2008 г.);
- 3-й Российской научно-практической конференция «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Став рополь, 2005 г.);
- ежегодных научно-практических конференциях в КубГАУ (Краснодар, 2005-2013 г.).
В 2008 году на 2-й всероссийской научно-практической конференции мо лодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 2-й степе ни конкурса научных разработок.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 науч ных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение и 4 свидетельства на прикладные программы для ЭВМ. Общий объем опубликованных работ составляет 14,4 п.л. из них на долю автора приходится 5,7 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего наименований, в том числе 4 - на иностранном языке и приложения. Диссерта ция изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 12 страниц приложения, содержит 84 рисунка, 18 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные требования к микроклимату птице водческих помещений и их значимость в птицеводстве;
проанализирован суще ствующий электропривод вентиляционных установок в производстве и способы регулирования производительности вентиляторов;
рассмотрен многоскоростной привод и критерии, при которых этот привод может стать наиболее эффектив ным;
рассмотрена возможность применения электронных ключей в схеме ком мутации привода.
Уровень воздухообмена и качество воздушной среды птицеводческих по мещений во многом определяется применяемой системой вентиляции. Установ лено, что самыми важными параметрами микроклимата являются: температура и относительная влажность в помещениях для содержания птицы, скорость движения воздуха, а также нормативный воздухообмен на 1 кг живой массы птицы. Установлено, что при температуре наружного воздуха свыше 25° С це лесообразно реверсировать вытяжные вентиляторы для работы на приток, что бы воздух обтекал птицу. При помощи такой схемы вентиляции можно добить ся снижения температуры внутреннего воздуха на 2...3°С.
Для изменения производительности вентиляторов применяются несколько способов регулирования. Автотрансформаторный способ регулирования позво ляет получить синусоидальную форму выходного напряжения, подаваемого на вентиляторы, однако главным недостатком такого способа является низкая надежность силовой части схемы управления, так как имеется большое количе ство контактов магнитных пускателей, которые работают на индуктивную нагрузку и часто включаются. Тиристорные регуляторы напряжения более надежны за счет бесконтактной схемы управления, однако их общий недостаток - наличие высших гармоник в регулируемом напряжении, из-за которых уве личиваются электрические потери, и снижается КПД. Кроме того, электропри вод вентиляторов, регулируемый изменением значения подводимого к двигате лям напряжения, на малых частотах вращения характеризуется низкими энерге тическими показателями, большими потерями в обмотках. Частотные преобра зователи имеют одни из наиболее эффективных параметров регулирования на сегодняшний день. При этом их недостатками являются: двойное преобразова ние энергии, искажение выходной формы напряжения, необходимость приме нения дополнительной аппаратуры электромагнитной совместимости, а также скалярное управление при применении в многовентиляторных системах.
Многоскоростной электропривод может иметь самые высокие энергетиче ские показатели из всех способов регулирования, однако его применение огра ничивают сложные схемы коммутации с большим числом контактных элемен тов. Этот способ регулирования может значительно повысить свой рейтинг за счет улучшения следующих критериев: повышение надежности схемы управле ния за счет применения бесконтактного переключающего блока коммутации обмоток двигателя;
снижение минимальных материальных и эксплуатационных затрат схемы управления, что может быть реализовано при помощи современ ной электронной базы;
повышение общей эффективности регулирования мик роклимата, что может быть достигнуто возможностью включения вентиляторов в так называемом “шахматном” режиме. При этом каждый вентилятор может быть оснащен своим блоком переключения обмоток. Большой вклад в исследо вание и разработку многоскоростного привода сельскохозяйственного произ водства внесли В.Н. Ванурин, В.А. Жилина, Ю.А. Медведько, Г.В. Степанчук, А.Е. Чуркин.
Одним из главных недостатков многоскоростных двигателей является сложность переключения обмоток на различные скорости вращения, для чего используется различная контактная коммутационная аппаратура. Большое чис ло механических деталей, входящих в их состав, неизбежно сказывается на надежности и износостойкости таких приборов. Улучшение характеристик схем переключения обмоток возможно при применении в их составе электронных коммутирующих элементов. При работе в номинальном режиме электронные ключи имеют гораздо больший срок службы, чем контакты. Они не подвержены механическому износу, имеют гораздо более высокое быстродействие, лучшие энергетические показатели при управлении. Кроме того, микроконтроллерное управление ими может быть осуществлено с большей эффективностью и с при менением более простых цепей согласования. Поэтому, применение электрон ных ключей может значительно повысить надежность схемы коммутации обмо ток двигателя, при условии соблюдения их режимов работы, оговоренных в технических условиях.
Во второй главе рассматривается построение систем вентиляции с приме нением многоскоростного привода вентилятора и его функциональная схема ре гулирования;
произведен выбор статорной обмотки двигателя привода и ее обоснование;
получена математическая модель многоскоростного двигателя привода;
произведена реализация математической модели в программной среде Matlab Simulink;
получены диаграммы переходных процессов при коммутации обмоток двигателя;
разработана схема комбинированного коммутатора статор ной обмотки двигателя с применением электронных ключей.
В работе предлагаются несколько возможных схем построения вентиля ционных систем с применением многоскоростного привода вентилятора, а так же функциональная схема регулирования электропривода вентилятора птичника на основе микроконтроллера, который занимается обработкой практически всех задач, обеспечивающих необходимую функциональность схемы, поэтому в дан ном случае сложно переоценить целесообразность и рациональность его приме нения.
Для привода вентилятора был выбран двигатель со статорной обмоткой на 6/10 полюсов, схема которой приведена на рисунке 1-а. Выбор производился из условий обеспечения необходимых скоростей вращения вала двигателя, его энергоэффективности и использования наименьшего общего числа выводов об мотки. Расположение коммутационных ключей силовой схемы двигателя при ведено на рисунке 1-б.
а) б) Рисунок 1- а) - Схема статорной обмотки двигателя на 6/10 полюсов;
б) - Распо ложение коммутационных ключей силовой схемы двигателя Для установления возможности использования электронных ключей в схе ме коммутации обмоток двигателя и их корректного выбора была разработана математическая модель двигателя, отображающая основные процессы при ком мутации. Входными данными модели являются параметры схемы замещения двигателя (рисунок 2), разные для каждой скорости вращения.
Рисунок 2 – Схема замещения асинхронного двигателя В контур статора и ротора вводятся дополнительные ЭДС Ед-s и Eд-r кото рые учитывают вращение машины и системы координат:
дs j ск ;
дr j _ _ (ск r ) (1) r s где ск – скорость вращения системы координат;
r - скорость вращения ротора двигателя;
s, r - векторы потокосцепления статора и ротора соответственно.
Математическое описание процессов в контурах статора и ротора в про странственной области определяется системой уравнений:
_ U s j ск j мп i s Rs, s s (2) _ 0 j (ск r ) i R ' r j мп ' r r r где мп – скорость вращения магнитного поля, создаваемого статорной обмот кой двигателя;
Rs – активное сопротивление цепи статора;
Rr – приведенное ак тивное сопротивление цепи ротора;
Us – вектор напряжения статора;
is – вектор тока цепи статора;
ir – вектор приведенного тока цепи ротора.
Для неподвижной системы координат полная система дифференциальных уравнений принимает вид:
d di _ s m i R U s L s - уравнение напряжений статора;
s;
s dt dt r m d i' d _ 0 j i R 'r L' ' - уравнение напряжений ротора;
;
r r dt dt r _ _ _ im is i'r ;
- уравнение токов;
L s is ;
_ - уравнение для потокосцеплений статора;
s m L' r i'r ;
_ - уравнение для потокосцеплений ротора;
r m _ - уравнение для потокосцеплений взаимоиндукции;
Lm im ;
m d di s m;
E s L s - уравнение ЭДС самоиндукции в статоре;
dt dt dr p ( M эм M с ) - уравнение механического равновесия привода;
;
J dt | Sin ( 0 ) ;
- уравнение электромагнитного момента;
(3) p | is | | M эм 2 m _ где im - вектор тока взаимоиндукции;
Ls – индуктивность фазной обмотки ста тора от поля рассеяния;
Lr – приведенная индуктивность фазы ротора от поля рассеяния;
m - вектор потокосцепления взаимоиндукции;
J – момент инерции привода;
Мэм – электромагнитный момент на валу двигателя;
Мс – момент со противления вентилятора;
p – число пар полюсов двигателя;
Sin(0) – угол меж ду векторами тока статора и потокосцепления взаимоиндукции.
При переключении скорости двигателя необходимо изменить входные данные модели с сохранением начальных электромагнитных величин. Для ре шения системы уравнений была разработана математическая модель, созданная в среде MatLab Simulink (рисунок 3).
Рисунок 3 - Математическая модель двухскоростного трехфазного асинхронно го двигателя в программной среде Matlab Simulink При помощи данной модели были получены основные характеристики переходных процессов при коммутации двигателя. Расчетные данные переход ных процессов приведены на рисунке 4. Были получены следующие зависимо сти: M = f(t), n = f(t), I = f(t), = f(M), а также значения изменения напряжения на коммутирующих ключах с учетом ЭДС статорной обмотки двигателя при его отключении от сети.
Рисунок 4 - Переходные процессы в двигателе при включении его в сеть с р= (а-г);
выбросы ЭДС самоиндукции обмоток двигателя на межфазных ключах при отключении его от сети с p=6 (д) Общие результаты расчетов сведены в таблицу 1. При этом видно, что амплитудное значение тока, протекающего через ключи коммутации статорной обмотки двигателя достигает 10,92 А. Максимальное значение напряжения, приложенного к закрытому ключу достигает величины 1217 В при скорости нарастания напряжения 1342 В/мксек.
Таблица 1 - Значения характеристик, полученные из расчетных режимов работы исследуемого двигателя.
Режим работы привода Характеристика 01 02 12 21 10 20 2- nуст. (мин-1) 567 948 948 567 0 0 - Mуст. (Нм) 3,82 5,11 5,11 3,82 0 0 -5, Mмакс. (Нм) 13,11 23,14 13,41 14,12 3,82 5,11 23, Iампл. макс., А 4,79 8,15 7,67 5,43 0,899 1,53 10, Iдейств. уст., А 0,638 1,085 1,085 0,638 0 0 1, Eсамоинд. макс. + Uсети, В - - 551,2 789,4 551,2 789,4 789, (ключи a-a, b-b, c-c) Eсамоинд. макс. + Uсети, В - - 771,4 1217,3 771,4 1217,3 1217, (ключи a-b, a-c, b-c) dU/dt, В/мксек - - 978,5 1342,4 978,5 1342,4 1342, tпер. процесса, сек. 0,392 0,245 0,178 0,241 5,71 7,69 0, Uампл. ключа, В * 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,, ое 0,85 0,87 0,87 0,85 - - 0, Полученные данные позволили сделать заключение о невозможности ис пользования электронных ключей в качестве межфазных в силовой схеме ком мутации обмоток, поэтому был рассмотрен подход о применении комбинацион ной схемы – с использованием контактов реле и электронных ключей.
Разработанная принципиальная схема блока коммутации обмоток мно госкоростного двигателя с учетом полученных данных приведена на рисунке 5.
В качестве проходных силовых ключей использованы симисторы, а в каче стве межфазных – контакты реле. Управление схемой осущетвляет 18 выводный микроконтроллер PIC16F1827 производства фирмы Microchip. Схема имеет возможность дистанционного управления, предусматривает возможность подключения цифрового датчика температуры, а также имеет защиту от КЗ, об рыва фаз и неисправности силовых симисторов.
В третьей главе описано проведение экспериментальных исследований с использованием многоскоростного привода вентилятора ВО-5,6 (рисунок 6).
Исследования проводились с целью проверки теоретических расчетов парамет ров привода при переключении обмоток, проверки возможности использования электронных ключей в схеме коммутации экспериментального двигателя и их корректного выбора. Программа экспериментальных исследований включала в себя осциллографирование токов, проходящих через элементы коммутации;
ос циллографирование значений ЭДС самоиндукции обмоток двигателя, которые могут быть приложены к закрытым межфазным и проходным ключам;
проверку целесообразности применения защитных элементов обвязки электронных клю чей в схеме коммутации.
Рисунок 6 - Общий вид экспериментальной установки Схема установки предусматривает подключение исследуемого двигателя с возможностью коммутации его обмоток на 6 и 10 полюсов. Управление работой схемы осуществлялось при помощи микроконтроллера PIC16F1827, соединен ного по протоколу связи с мобильным компьютером. Для контроля временных моментов включения/отключения схемы использовался датчик регистрации пе рехода синусоиды сетевого напряжения через 0. Измерения проводились для всех рабочих режимов привода, при этом полученные графики в пределах одной режимной серии показывали схожие результаты и между ними не было выявле но существенных отличий. Результаты эксперимента по измерению токов све дены в таблицу 2 (в скобках указан процент расхождения между экспериментом и расчетом). Полученные экспериментальные данные показывают незначитель ное расхождение с расчетными, и максимальное расхождение для токов не пре вышает 7,8%.
Таблица 2 - Результаты эксперимента по измерению токов, протекающих через проходные коммутационные ключи в различных режимах привода.
Характеристика Режим работы Iампл. макс., А Iдейств. уст., А tпер. процесса, сек.
привода расчет эксперимент расчет эксперимент расчет эксперимент 4,79 4,65 (2,9%) 0,638 0,72 (1,3%) 0,392 0,43 (9,6%) 8,15 8,1 (0,6) 1,085 1,17 (7,8%) 0,245 0,3 (18%) 7,67 7,8 (1,7%) 1,085 1,17 (7,8%) 0,178 0,2 (12%) 5,43 5,3 (2,4%) 0,638 0,72 (1,3%) 0,241 0,25 (3%) 10,92 10,8 (1,1%) 1,085 1,17 (7,8%) 0,653 0,75 (15%) 2- Осциллографирование значений ЭДС самоиндукции обмоток двигателя, возникающих на проходных и межфазных ключах коммутации, проводилось в момент отключения двигателя от сети с числом полюсов обмотки статора р= и р=6. При этом регистрировались максимальные напряжения, приложенные к межфазным и проходным ключам коммутации, а также скорость критического нарастания напряжения dU/dt. Одна из полученных осциллограмм на межфаз ных ключах при отключении двигателя от сети с р=10 представлена на рисунке 7. Общие результаты эксперимента по измерению ЭДС статорной обмотки в со четании с напряжением сети сведены в таблицу 3 (в скобках указан процент расхождения между экспериментом и расчетом). Режим, в котором наблюдается наибольшее значение напряжения, приложенного к ключу – это режим отклю чения на 2-й скорости (p=6). При этом сумма вектора напряжения сети и ЭДС самоиндукции обмоток двигателя достигает значения в 1540 В, которое на 26% выше расчетного, что объясняется дополнительным влиянием питающей сети.
Рисунок 7 – Осциллограммы выбросов ЭДС самоиндукции обмоток двигателя с р=10 на межфазных ключах при отключении двигателя от сети Таблица 3 - Результаты эксперимента по измерению напряжений, приложенных к коммутирующим ключам в режимах отключения привода Характеристика Режим Eсамоинд. макс. + Uсети, В Eсамоинд. макс. + Uсети, В работы dU/dt, В/мксек (ключи a-a, b-b, c-c) (ключи a-b, a-c, b-c) привода расчет эксперимент расчет эксперимент расчет эксперимент 551,2 620 (12%) 771,4 930 (20,4%) 978,5 840 (14%) 789,4 980 (24%) 1217,3 1540 (26%) 1342,4 1200 (11%) Дополнительно, были проведены эксперименты по применению защитных элементов обвязки электронных ключей в схеме коммутации. При этом уста новлено, что применение электронного ключа в качестве межфазного в исполь зуемом приводе возможно лишь при полном комплексе мер по его защите, од нако, целесообразность применения такого решения ставится под сомнение в виду большого числа дополнительных элементов ячейки коммутации и их габа ритов. Поэтому оправдано первоначальное решение о применении контактов реле на месте межфазных ключей и электронных элементов – в качестве про ходных ключей.
Также был разработан алгоритм работы коммутатора обмоток двигателя привода на основе микроконтроллера PIC16F1827, что приводит к расширению функциональных возможностей электропривода вентилятора.
В четвертой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения многоскоростного привода с разработанным комбинированным коммутатором обмоток в систему птичника на 20 тыс. кур-несушек. Сравнение производилось со станцией автоматического управления вентиляцией "Кли мат-Т-МП-5". Было установлено, что уменьшится годовое потребление электро энергии на 7810 кВт·час, увеличится срок службы электродвигателей с 3,1 до 5,1 лет;
увеличится коэффициент готовности электропривода вентиляции с 0,829 до 0,897. Основной доход достигается за счет снижения годового техно логического ущерба, который находится на уровне 822 тыс. руб. Чистый дис контированный доход при уровне доходности 12% составит 4,428 млн. руб.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Обоснована функциональная схема регулирования многоскоростным электроприводом вентилятора птичника и параметры используемого многоско ростного электродвигателя. Для двигателя была выбрана схема обмотки, даю щая ему возможность работы при 6 и 10 полюсах, имеющая количество выводов равное 5, с высокими показателями энергоэффективности двигателя.
2. Разработана математическая модель многоскоростного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в виде системы дифференциальных уравнений, имеющая связь с основными параметрами схемы замещения двига теля и отображающая процессы при коммутации его обмоток.
3. Разработана математическая модель работы многоскоростного двигате ля привода с использованием ЭВМ и программной среды Matlab Simulink с воз можностью получения текущих значений токов статора, ЭДС обмоток двигате ля и времени переходных процессов при переключении его обмоток.
4. При помощи математической модели были получены диаграммы изме нения токов, ЭДС обмоток двигателя при коммутации, а также длительности переходных процессов при переключении режимов работы привода. Установ лено, что максимальное значение токов, проходящих коммутирующие ключи, достигает значения 10,92А. Расчетные значения выбросов ЭДС самоиндукции обмоток двигателя в сочетании с напряжением сети достигают величины В, при этом скорость нарастания напряжения составляет 1342 В/мкс. Длитель ность переходных процессов при переключении скоростей достигает значения 0,392 с.
5. Разработана схема комбинированного коммутатора многоскоростного двигателя привода вентилятора птичника с применением симисторов и элек тромагнитных реле, который функционирует при любых режимах работы при вода.
6. Проведены экспериментальные исследования привода с целью проверки теоретических расчетов и установления возможности использования электрон ных ключей в схеме коммутации экспериментального двигателя. Из получен ных осциллограмм токов следует, что максимальные пиковые значения тока, проходящего через ключи коммутации в режимах коммутации достигают зна чения 10,8 А. Длительность переходных процессов при переключении обмоток достигает значения 0,65 сек. При этом максимальное расхождение теоретиче ских и экспериментальных значений для токов не превышает 7,8 %. Перенапря жения на ключах из-за выбросов ЭДС самоиндукции обмоток двигателя могут достигать величин свыше 1500 В. Критическая скорость нарастания напряжения при этом достигает значений 1200 В/мксек. Режим, в котором наблюдается наибольшее значение напряжения, приложенного к ключу – это режим отклю чения на 2-й скорости. При этом сумма вектора напряжения сети и ЭДС само индукции обмоток двигателя достигают суммарного значения в 1540 В, которое на 26% выше расчетного, что объясняется дополнительным влиянием питаю щей сети.
7. Разработан алгоритм работы коммутатора обмоток двигателя привода на основе микроконтроллера PIC16F1827, что приводит к расширению функцио нальных возможностей электропривода вентилятора: дистанционное управле ние, регулирование производительности в автоматическом режиме индивиду ально для каждого вентилятора, возможность включения в общую систему АСУ птичника.
8. В системе «Климат» птичника на 20 тыс. кур-несушек произведено срав нение показателей эксплуатационной эффективности применения станции ав томатического управления вентиляцией "Климат-Т-МП-5" (тиристорное регу лирование напряжения электродвигателей вентиляторов) с системой регули рования на основе многоскоростных двигателей с разработанным комбиниро ванным коммутатором обмоток. Было установлено, что уменьшается годовое потребление электроэнергии на 7810 кВт-час, увеличивается срок службы элек тродвигателей с 3,1 до 5,1 лет;
увеличивается коэффициент готовности электро привода вентиляции с 0,829 до 0,897. Чистый дисконтированный доход при уровне доходности 12% и уровне инфляции 14% ЧДД составит 4,428 млн. руб.
Основные положения диссертации опубликованы – в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Харченко Д.П. Реализация бесконтактной схемы коммутации обмоток многоскоростного электродвигателя / Д.П. Харченко // Труды Кубанского гос ударственного аграрного университета. – 2007. - № 1(5). - С. 183-186.
2. Харченко Д.П. Основные направления разработки и внедрения устройств защиты электродвигателей / С.В. Оськин, А.В. Чепелев, Д.П. Хар ченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. - № 8. – С. 27.
- в прочих изданиях:
3. Харченко Д.П. Переключатель обмоток многоскоростного двигателя на основе бесконтактных силовых элементов / С.В. Оськин, Д.П. Харченко // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы 4-й Юж нороссийской научной конференции «ЮРНК-05». - Краснодар, 2005. – С. 189 192.
4. Харченко Д.П. Бесконтактная схема управления многоскоростным элек тродвигателем / С.В. Оськин, Д.П. Харченко // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сборник научных трудов 3-й Российской научно-практической конференции. - Ставрополь, 2005.
– С. 328-331.
5. Харченко Д.П. Устройство для бесконтактного переключения полюсов многоскоростного двигателя / Д.П. Харченко, П.М. Харченко // Энергосберега ющие технологии, оборудование и источники электропитания для АПК: сбор ник научных трудов КГАУ. - Краснодар, 2005. – С. 310-313.
6. Харченко Д.П. Ветроэнергетическая установка с бесконтактным блоком коммутации обмоток генератора / С.В. Оськин, Н.И, Богатырев, Д.П. Харченко, П.М. Харченко // Энергосберегающие технологии, оборудование и источники электропитания для АПК: Труды КГАУ, выпуск 421(151). - Краснодар, 2006. – С. 316-320.
7. Харченко Д.П. Особенности схем управления многоскоростными двига телями на основе бесконтактных силовых элементов / С.В. Оськин, Д.П. Хар ченко // Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона: материалы Международ ной научно-практической конференции (11-13 мая 2006 г.). - Ставрополь, 2006.
– С. 327-328.
8. Харченко Д.П. Выбор и защита электронных ключей для коммутации многоскоростных двигателей / Д.П. Харченко // Научное обеспечение агропро мышленного комплекса: материалы VIII региональной научно-практической конференции молодых ученых. - Краснодар, 2006. – С. 342-343.
9. Харченко Д.П. Система вентиляции птичника с использованием мно госкоростных двигателей / Д.П. Харченко // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы пятой Всероссийской научной конференции «ВРНК-2007». - Краснодар, 2007. – С. 221-224.
10. Харченко Д.П. Комбинированный способ коммутации обмоток мно госкоростных двигателей / С.В. Оськин, Д.П. Харченко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 1-й Всероссийской научно практической конференции молодых ученых. – Краснодар, 2007. – C. 337-338.
11. Харченко Д.П. Комбинированная схема для коммутации обмоток мно госкоростного двигателя / Д.П. Харченко // Научное обеспечение агропромыш ленного комплекса: материалы 2 всероссийской научно-практической конфе ренции молодых ученых. – Краснодар, 2008. – C. 355-356.
- патенты на изобретения:
12. Пат. 2299356 Российская федерация МПК FO3D 7/04 Ветроэнергетиче ская установка [текст] / С.В. Оськин, Д.П. Харченко, П.М. Харченко (РФ);
за явитель и патентообладатель КубГАУ. – 2006105560/06;
заявл. 22.02.2006;
опубл. 20.05.2007;
Бюл. № 14. – 10 с.
- авторские свидетельства на прикладные программы для ЭВМ:
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2007614769 РФ Расчет потерь мощности, параметров нагрева и охлаждения асинхронного электродвигателя / Д.П. Харченко, С.В. Оськин, П.М. Харченко;
заявитель КубГАУ. – 2007613216;
заявл. 01.08.2007;
опубл. 19.11.2007 – 28 с.
14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008613601 РФ Расчет коэффициента готовности и срока службы электропри вода / Д.П. Харченко, С.В. Оськин, А.И. Вандтке, А.Ф. Кроневальд;
заявитель КубГАУ. – 2008612702;
заявл. 16.05.2008;
опубл. 28.06.2008 – 35 с.
15. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2010620096 РФ Классификация, основные характеристики датчиков, применя емых для автоматизации технологических процессов в АПК / Д.А. Овсянни ков, С.А. Николаенко, В.А. Дидыч, Д.П. Харченко, Д.С Цокур;
заявитель КубГАУ. – 2009620645;
заявл. 21.12.2009;
опубл. 11.02.2010 – 27 с.
16. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2010620112 РФ Элементы теории автоматического управления, применяе мые в сельском хозяйстве / Д.А. Овсянников, С.А. Николаенко, Д.П. Харченко, А.П. Волошин, Д.С. Цокур;
заявитель КубГАУ. – 2009620644;
заявл.
21.12.2009;
опубл. 16.02.2010 – 21 с.